嗓音声学分析简介

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1、2005年全国喉科嗓音言语医学学术研讨会嗓音声学分析简介中国社会科学院民族学与人类学研究所(北京100081)鲍怀翘1嗓音声源(voicesource)的声学特性嗓音在语音产生中起着至关重要的作用，语音产生的一维线性方程(1．1，1．2)嗓音e(t)是激励源，经声腔的调制(共鸣)h(t)，辐射r(t)到空气中，就成可听见的语音s(t)(图1，2略)。s(t)=e(t)*h(t)*r(t)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1．1)S(f)=E(f)H(f)R(f)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1．2)其中S(t)为时域语音信号，S

2、(f)频域信号。1．1声带一开一闭(振动)产生一系列气流脉冲波，即声门波。它的振动周期为T，基频F0=I／T。声带振动的快慢受控于声门下压力和声带肌的紧张度。1．2声带振动的理论：粘膜肌弹性空气动力学说。根据这一学说，石坂谦三和Flanagan(1978)提出了双质量模型及其等效电路。1．3声源频谱特性：声源谱，如图1A左所示，第一条谱线称为第一谐波n，等于基频FD。第二条谱线称为第二谐波亿，并依此类推，可以写为n，亿，f3，⋯．．如．而且都是整数倍关系。它们的振幅是依次递减的，递减量称为斜率，在工程上

3、标准的斜率是一12／oct．。若谐波之间出现非整数倍关系，以及谐波问出现多余的次谐波，都是声源噪声的表现，这可能源于左右两片声带振动的非周期性(不同步)，当声带出现病变时；谱斜率与声门关闭的速率相关，关闭越快，斜率越小，高频能量越丰富，音色就饱满、圆润；声门关闭越慢，或关闭不严(漏气)，谱斜率就越大，有效谱宽度越窄；嗓音就会沙哑、干瘪。2频谱分析方法2．1声谱分析(spectrumanalysis)的几个基本概念2．1．1三维语图(spectrogam)：x轴为时间，Y轴为频率，z轴能量，越黑能量越大。

4、2．1．2二维振幅谱(m')：X轴为频率，Y轴为振幅(dB)。又可分为离散谱(乐音)和线状谱(噪声)。当我们需要了解某瞬间的声谱细微结构时，使用二位谱是最适当的选择。2．1．3二维频律响应谱(LPC)：X轴为频率，Y轴为振幅(dB)，它能直接提取、显示元音共振锋和噪声的强频区。2．2在三维语图中，元音表现为共振峰。好的嗓音音色，共振峰区与非共振峰区间能量反差较大；声门脉冲形成的垂直线条，应该是笔直的且纹理清晰，而不应该出现小的弯曲状或模糊不清。元音的二维FFr，每个谐波表现清晰，频率位置准确，高频衰减较

5、慢，谱宽度较大；谐波之间不出现多余的次谐波；在对／a／元音的分析中，正常嗓音(normalvoice)表现为第一共振峰能量AFl>第一谐波能量An；当Afl>AFl，则是气嗓音(breathyvoice)的表现。2．3长时平均谱(LTA)：是对一段短文(20秒左右)语音的肿分析的平均表示。在很大程度上反映了嗓音音质的特性。好的音质，斜率小，谱宽度大，高频能量相对丰富。长时平均平谱对评估嗓音音色的忧劣以及识别嗓音的个性上是一种很有效的方法，因此在声纹鉴定中也受到广泛重视。3多维嗓音软件(MDVP)3．1什

6、么是多维嗓音特征为增强临床嗓音评估的准确性，需要有一种分析系统，能对几个嗓音参数同时进行短时和长时的测量。这种分析能通过定量的参数，获得对嗓音的大致印象。临床医生可以将这些定量参数作为患者图表资料的一部分，声学测试多用于记录患者在治疗过程中嗓音的变化情况。目的不仅在于观察某一个参数的变化，还要观察嗓音的总体变化情况。不管这些声学参数能否用来确认构音障碍或神经性疾病的种类，这种分析在详细评估患者的嗓音方面极具价值。现在就有一种分析系统能够满足(至少部分满足)上述要求，那就是“多维嗓音分析系统(MDVP)”

7、。它能够快速获得33个嗓音特征，还拥有一个正常嗓音和病理嗓音的数据库，以作为识别异常嗓音的参考。尽管目前只有几种发声障碍采用了MDVP系统[利用MDVP软件对病理嗓音研究见DisorderedvoiceDatabase(美国麻省眼耳医院嗓音和语音实验室)所包含的732人嗓音材料得到的分析数172005年全国喉科嗓音言语医学学术研讨会据，见ActaOto—rhino—laryngologica，1996，V01．50361—386．]进行研究，其实该系统的应用范围是相当广泛的，例如构音障碍等等。3．2多维

8、嗓音特征介绍表1中33项特征按其性质可分为8大类：①基频信息测量：FO、TO、Fhi、Flo、STD、PFR、Tsam、PER、SEG；②短时和长时基频微扰测量：Jita、Jitt、RAP、PPQ、sPPQ、vFo；③短时和长时振幅微扰测量：ShdB、ShiIIl、APQ、sAPQ、yAm；④嗓音中断相关测量：DVB、NVB；⑤次谐波成份相关测量：DSH、NSH；⑥嗓音不规则性测量：DUV、MⅣ；⑦噪声相关测量：NHR、Ⅷ、SPI；⑧颤动测